电子自旋共振ESR.doc

电子自旋共振(ESR)实验泡利(Pauli)在1924年提出电子自旋的概念,可以解释某些光谱的精细结构。1944年,原苏联学者扎沃依斯基()首先观察到电子自旋共振现象。电子自旋共振(ESR)的研究对象是含有未偶电子(或称未配对电子)的物质。通过对这些物质ESR谱的研究,可以了解有关原子、分子及离子中未偶电子的状态及其周围环境的信息,从而获得物质结构方面的知识。这一方法具有很高的灵敏度和分辨力,而且在测量过程中不破坏样品的物质结构,因此,在物理、化学、生物学和医学等领域有着广泛的应用。此外,ESR也是精确测量磁场的重要方法之一。一、实验原理ESR的基本原理与NMR相似,下面作简要说明。按照量子力学,电子自旋角动量,其中,为电子自旋量子数,为普朗克常数。电子自旋磁矩与电子自旋角动量的关系式为(1)式中,为电子电荷,为电子质量,称为朗德因子,对自由电子来说,。当电子处于稳恒磁场中时,原来的单个能级将劈裂为两个能级,如图1所示。相邻能级的间隔为(2)式中,称为玻尔磁子,是稳恒磁场的磁感应强度。图1电子能级分裂示意图根据磁共振原理,如果在与垂直的平面内,施加一个频率为的交流磁场,当满足条件(3)。这就是电子自旋共振现象。因角频率,上式可改定为(4)或(5)由电子自旋共振测出和为常数,就可求得电子荷质比。因玻尔磁子约为核磁子的1836倍,即电子自旋磁矩比核磁矩大三个数量级,在同样磁场作用下,电子塞曼能级之间的间距比核塞曼能级间距大得多。根据玻尔兹曼分布定律,上、下能级间的粒子数差额也大得多。因此,电子自旋共振信号比核磁共振信号强很多。~1特斯拉时,核磁共振发生在射频范围,电子自旋共振则发生在微波频率范围。然而,对于电子自旋共振,即使在较弱的磁场下,例如,在射频也能观察到电子自旋共振现象。本实验是在弱磁场下,用较简单的实验装置观察电子自旋共振现象。二、实验装置实验装置示意如图2所示,它由ESR电源,探测器/边限振荡器、示波器、标准高频信号发生器、直流稳态电源、安培表、滑线变阻器等组成。图2实验装置图稳恒磁场和扫场用同一螺线管产生,螺线管直径厘米,长厘米,线圈总匝数为300匝。螺线管中部磁感应强度可由下式计算:(特斯拉)(6)式中,为螺线管单位长度的匝数(匝/米),为电流(安培)。ESR电源供给螺线管50Hz的扫场电流,它也是探测器/振荡器的电源。边限振荡器的振荡线圈(样品置于其中),其轴线方向与螺线管轴线方向垂直,即使射频磁场与螺线管磁场相互垂直。振荡线圈既用于产生也用于接收共振信号。共振信号由示波器进行观察。直流电源供给螺线管直流电流,它与扫场电流进行迭加,以测定共振磁场的大小。实验样品是DPPH,它名称为二苯基苦酸基联氨,分子式为,结构式如图3所示,其中-N原子少一个共价键,即有一个未偶电子。DPPH一般为多晶体,,非常接近自由电子的值。图3DPPH分子式及未偶电子示意图图4不等距时的ESR信号三、,在射频线圈中放入DPPH样品,套上螺线管,即把螺线管沿轴线上推至最高处,接通ESR电源和扫场开关。此时,扫场电流频率50Hz,相应样品处的磁场为增大扫场电流,并适当调节边限振荡器反馈旋钮,当满足电